Маглевом — по бездорожью!

Материалы рубрики читайте также в телеграм-канале «Техносфера, подъем!»

Для пространств России транспорт — ключевой элемент логистики, обеспечивающей работу производственных систем. Любые проблемы с доставкой грузов — реальная угроза их устойчивому функционированию. Внеплановые остановки или задержки в транспортировке грузов приводят к огромным убыткам и невосполнимым потерям. Риски велики, и ими надо уметь управлять.

«Гениальным решением для сокращения рисков такого класса стало создание грузовых транспортных систем, работающих на принципах магнитной левитации, — сказал в беседе со “Стимулом” доктор технических наук Александр Куликов. — Спасибо специалистам НИИЭФА, которые разработали максимально энергоэффективные подвесы для магнитных транспортных систем».

Отдельный вопрос — интенсификация использования территорий Крайнего Севера, Сибири и Дальнего Востока. Характерные особенности этих зон — вечная мерзлота, заболоченность и карстовые процессы. И очевидно, что для их освоения весьма перспективно использование транспорта маглев, отличающегося пониженными нагрузками на грунт, энергоэффективностью, надежностью, возможностью применения безлюдных технологий и использования отечественных материалов, технологий и оборудования.

К настоящему времени участники консорциума разработали и обеспечили патентную чистоту основных подсистем технологии маглев. Оригинальные отечественные решения обеспечивают поддержание регулируемого воздушного зазора между подвижным составом и путевой структурой, а также поступательное линейное движение транспортной единицы без трения и сопутствующего износа конструктивных элементов.

Проектная скорость движения подвижного состава транспорта маглев может достигать 600 км/ч. Но дело не только в скорости, но и в минимизации затрат на создание и эксплуатацию транспортной сети и подвижного состава, которые существенно ниже, чем у автомобильной, железнодорожной и авиационной транспортных систем. Отечественные технологии строительства позволяют даже в экстремальных условиях строить пути маглев в кратчайшие сроки. При этом разработчики заявляют рекордные для транспорта сроки эксплуатации и интервалы между регламентным обслуживанием.

«Реализация на практике такого инновационного проекта позволяет исключить множество рисков хозяйственной деятельности промышленных объектов. Во-первых, мы получаем еще большую независимость от западных технологий и можем легко регулировать направления транспортных потоков. Во-вторых, подобные “магнитные” эстакады обеспечивают высокую транспортную связанность всех промышленных объектов при минимуме ресурсных затрат. Несомненно, все это в совокупности служит национальным интересам страны», — считает Александр Куликов.

Участники подписания соглашения о создании Консорциума «Российский Маглев»

АО «НИИЭФА»

Самая лучшая команда

Чтобы выяснить технологические подробности и перспективы проекта, мы поговорили с разработчиками магнитолевитационного подвеса — специалистами Научно-исследовательского института электрофизической аппаратуры (НИИЭФА) им. Д. В. Ефремова. Это ведущий научный, проектно-конструкторский и производственный центр России по созданию электрофизических установок и комплексов для решения научных и прикладных задач в области управляемого термоядерного синтеза, ускорительной техники, ядерной медицины, лазерной техники, радиационных и энергетических технологий, прикладной сверхпроводимости и многого другого.

В транспорте маглев традиционно применяются две технологии, использующие электромагнитный и электродинамический подвесы соответственно.

Электродинамический подвес использует взаимодействие магнитов подвижного состава с контурными токами, наводимыми в проводящих панелях или замкнутых катушках пути. Поступательное движение обеспечивается линейным двигателем. Пока единственный пример использования электродинамического подвеса — подвижной состав японского проекта JR-Maglev, который оборудован сверхпроводниковыми магнитами, несущими ток в несколько кА и взаимодействующими с нормальнопроводящими замкнутыми 8-образными катушками, установленными по сторонам пути.

Определенным недостатком электродинамической технологии является необходимость достижения начальной скорости 100‒150 км/ч, при которой появляется магнитная сила, достаточная для организации левитационного зазора.

«Поезд проекта JR-Maglev — высокоскоростной (свыше 600 километров в час), и это его безусловный плюс. Но до момента отрыва он едет на колесах и на колеса же встает при торможении на путевую структуру. Электромагнитный подвес лишен данного недостатка и способен обеспечить постоянную левитацию как в статике, так и в динамке. Левитация возникает, как только включается электропитание подвеса, — рассказал “Стимулу” руководитель проекта “Маглев” в НИИЭФА Алексей Фирсов. — Так что пока в части российских разработок мы говорим только об электромагнитной технологии в варианте, когда электромагнитная сила подтягивает массу подвижного состава к ферромагнитным направляющим пути, а система контроля обеспечивает сохранение заданного воздушного зазора».

Развитием транспорта маглев, использующего электромагнитную технологию, в мире, в том числе в Советском Союзе, активно занимались с начала 1960-х. В 1990-е годы в нашей стране были разработаны и изготовлены несколько опытных подвижных составов, наиболее известный из которых сейчас доживает свои последние дни на полигоне в Раменском. Разработчики создали и успешно сдали комиссии опытную инфраструктуру и трехвагонный подвижной состав. Несмотря на это, в 1996 году было принято решение прекратить работы. Некоторое время ученые и инженеры пытались сопротивляться новым условиям жизни, но в 2008 году проект был закрыт окончательно.

Работы над отечественным транспортом маглев возобновились в 2012 году, когда в Петербургском государственном университете путей сообщения под руководством бывшего главы МПС России Анатолия Зайцева был организован Научно-образовательный центр инновационного развития пассажирских железнодорожных перевозок.

«Зайцев пришел к нам осенью 2012 года, увлеченный идеей создания отечественного маглева, — вспоминает Алексей Фирсов, — и сказал: “Я был министром путей сообщения, многое сделал для железной дороги, но есть у меня мечта — магнитная левитация. А вас мне порекомендовали как организацию, специалисты которой лучше всех разбираются в магнитных полях и расчетах в обоснование конструкции электромагнитных систем”».

Как отметил советник генерального директора по термоядерным и магнитным технологиям АО «НИИЭФА» Игорь Родин, институт действительно среди ведущих научных организаций страны по вопросам магнитных технологий. «У нас работают одни из лучших разработчиков магнитных устройств, — поясняет ученый, — потому что НИИЭФА — один из российских лидеров проекта по сооружению международного термоядерного реактора ИТЭР — токамака, использующего магнитное удержание плазмы. На протяжении более чем полувека магнитные технологии в институте развиваются и используются для создания крупномасштабных установок класса мегасайенс — ускорителей высокой энергии и термоядерных реакторов. Попутно разрабатывается оборудование для ядерной медицины, магнитогидродинамических устройств, систем электродвижения и других проектов, где используются сильные магнитные поля, включая сверхпроводниковые магнитные системы, работающие при криогенных температурах».

Участники проекта проанализировали мировые достижения в этой области, открытые публикации европейских и американских коллег. За основу решили взять немецкий опыт эксплуатации состава Transrapid, а также китайские аналоги, в частности состав, который ходит от Шанхайского международного аэропорта до Шанхая. Принцип управляемого электромагнитного подвеса реализован с использованием нормальнопроводящих электромагнитов, расположенных под составом и по длине пути. Поступательное движение обеспечивается аналогично японскому проекту — с помощью линейного электродвигателя.

«Наша разработка — это дальнейшее развитие технологии Transrapid, — поясняет Алексей Фирсов. — То есть там подъемная сила и воздушный зазор регулируются в полном диапазоне рабочим током крупногабаритных электромагнитов, что приводит к существенным энергозатратам, связанным с потерями энергии на активном сопротивлении обмоток. В нашей системе большая часть подъемной силы перекладывается на постоянные магниты, а для сохранения зазора используются небольшие электромагниты, регулируемая амплитуда рабочего тока которых на порядок меньше, а значит, и энергозатраты минимальны».

Постоянные магниты — это магнитное поле, которое может «бесплатно» обеспечить постоянную подъемную силу. «Казалось бы, такое решение лежит на поверхности, — говорит ученый, — но при включении постоянного магнита в схему регулирования рабочего тока электромагнита система становится сугубо нелинейной, и стабилизировать зазор достаточно сложно. Задача нетривиальная, но наши математики с ней справились, обеспечив стабильное управление электромагнитным подвесом, содержащим постоянные магниты, которые компенсируют более восьмидесяти процентов веса всей системы, а электромагниты управляют оставшимися двадцатью и обеспечивают стабилизацию в пространстве».

Специалисты НИИЭФА закончили разработку к 2018 году, и на тот момент созданный электромагнитный подвес был самым энергоэффективным в мире, что признали и зарубежные коллеги. Но российские атомщики решили не останавливаться на достигнутом и разработали гибридные электромагниты, где постоянные магниты входят в конструкцию магнитопровода, что позволяет обеспечить максимально эффективное взаимодействие постоянных и электромагнитов.

«Если ток в обмотке электромагнита создает поле, вектор индукции которого противоположен вектору поля постоянных магнитов, то амплитуды полей вычитаются и подъемная сила уменьшается, — поясняет Алексей Фирсов. — Если совпадают — то складываются, увеличивая подъемную силу. Задавая величину воздушного зазора, мы можем обеспечить максимально эффективное использование постоянных магнитов. К примеру, если нужно увеличить подъемную силу, мы задаем минимально возможную величину зазора, и почти сто процентов всей нагрузки приходится на постоянные магниты. Нормальнопроводящая обмотка гибридного электромагнита с минимальными энергозатратами стабилизирует заданное положение подвеса. В результате энергоэффективность гибридного электромагнита еще в несколько раз выше, чем у примененного на начальных этапах разработки варианта раздельного использования постоянных и электромагнитов».

Советник генерального директора по термоядерным и магнитным технологиям АО «НИИЭФА» Игорь Родин

АО «НИИЭФА»

Неоспоримые преимущества

Маглев очень похож на железнодорожный транспорт в том, что касается перевозки грузов и пассажиров, конструкции вагонов и платформ, организации движения. Поэтому большое количество технологий может быть позаимствовано у подвижного состава РЖД. Научно-исследовательских работ потребовали в основном только два узла — магнитолевитационный подвес и двигатели.

Что касается принципов движения, то тут различия между двумя видами транспорта огромные. Во-первых, применение железнодорожных составов сильно ограничено. Например, значительно затруднено строительство в областях вечной мерзлоты, а таких областей в России много. «Мы знаем истории построенных и затонувших железных дорог, — говорит Игорь Родин, — знаем, что новые дороги там сейчас практически не строятся из-за невозможности сделать это за разумные деньги. В результате территории Крайнего Севера активно развиваются, а необходимого транспортного обеспечения там нет. Используются автомобильные и авиаперевозки. На севере аэропортов больше, чем на юге, в каждом поселке, где что-нибудь добывают, есть аэропорт. И при этом общеизвестен факт, что ничего более дорогого, малоэффективного с точки зрения количества рублей за килограмм придумать нельзя».

Автомобильные дороги тоже большая проблема. В морозы водители пользуются зимниками, а летом на вечной мерзлоте можно проводить соревнования — гонки по бездорожью.

«Из-за своих конструктивных особенностей магнитолевитационные пути строятся с использованием эстакад, — поясняет Алексей Фирсов. — Эстакады возводятся на сваях, и наши коллеги из компании “Апатэк”, которая входит в консорциум, предложили изготавливать их из композитных материалов, имеющих практически нулевую теплопроводность. А это значит, что такая свая, установленная в вечной мерзлоте, не разморозит почву, не “утонет” и будет служить требуемое время».

Сейчас ускоренными темпами развивается Северный морской путь. И во многих местах требуется построить порты. Маглев — реальная альтернатива железным дорогам для организации транспортного сообщения. В будущем возможно развитие транспортной сети маглев как дублера Северного морского пути.

«Другое колоссальное преимущество технологии маглев — более низкая стоимость эксплуатации путей, — говорит Алексей Фирсов. — Магнитолевитационная дорога похожа на железнодорожную по стоимости прокладки. На железной дороге рельсы со шпалами, у маглева “рельсы” в виде стальных полос, замыкающих магнитный поток. Но эксплуатация пути не требует тех затрат, которые необходимы для высокоскоростных железнодорожных магистралей».

По оценкам экспертов и исходя из нормативной документации, эксплуатация в течение тридцати лет участка железной дороги при высокой грузонапряженности обходится в два раза дороже ее строительства. К примеру, по ночам на трассу «Сапсана» между Москвой и Санкт-Петербургом выходят обслуживающие бригады, задача которых — подтвердить соответствие железнодорожного пути требованиям высокоскоростного транспорта. Рельсы находятся в постоянном контакте с колесом, они испытывают колоссальную механическую нагрузку. С учетом того, что полная масса железнодорожного вагона может достигать 90 тонн, нагрузка на площадь контакта колеса и рельса размером в несколько миллиметров может составлять более 11 тонн. В результате возникает потребность в частых капитальных ремонтах пути и необходимость содержания «индустрии» обслуживания, включая отдельную «отрасль» восстановления сточенных колесных пар подвижного состава. Немецкие специалисты подсчитали, что в год из-под колес скоростных поездов только в одной Германии в воздух выбрасывается более двадцати с лишним тонн металлической пыли.

В технологии маглев нет контакта между путевой структурой и элементами подвижного состава. Вся весовая нагрузка равномерно распределяется по плоскости магнитов, расположенных по длине состава. Благодаря этому в разы меньше динамические нагрузки на путь, а учитывая отсутствие механического контакта, путевая структура практически не изнашивается и срок ее службы кратно увеличивается.

В результате при соизмеримой стоимости строительства маглева и железнодорожного путей эксплуатация первого оказывается существенно дешевле. Кроме того, у подвижного состава маглева нет понятия тяговой единицы — дорогие локомотивы не нужны. Каждая транспортная единица обладает возможностью перемещаться самостоятельно. Это дает очень широкие возможности формирования составов.

Пора начинать испытания

К настоящему времени все научно-исследовательские работы завершены, надо переходить к опытно-конструкторским работам по созданию и испытаниям опытного образца подвижного состава маглев. Первоочередные задачи — разработка и изготовление опытной транспортной единицы, строительство крупномасштабного испытательного полигона, необходимого для подтверждения технических решений, и подготовка нормативных и регламентных документов, требуемых для внедрения маглева в практику жизни. По мнению участников консорциума, трасса полигона может быть небольшой, 10‒20 километров общей длины пути, этого достаточно для демонстрации заявленных преимуществ.

«Мы не просто что-то улучшаем, — считает Игорь Родин, — а помимо существующих видов транспорта создаем принципиально новый, в одном ряду с автомобильным, железнодорожным и авиационным. Это будет отдельно развивающаяся отрасль, созданная на базе новых технологий».

Организации, входящие в консорциум «Российский маглев», каждая из которых обладает одной или несколькими необходимыми технологиями, в совокупности обеспечивают требуемый набор знаний и навыков от науки до строительных технологий, которые позволяют с уверенностью смотреть в будущее этого вида транспорта.

«Если коротко подытожить преимущества маглева, — говорит Игорь Родин, — это транспортное освоение территорий в зонах, где нет наземных путей сообщения, и возможность высокоскоростного перемещения грузов и пассажиров с эксплуатационными расходами меньшими, чем, например, у высокоскоростных железнодорожных магистралей. Реализация планов обеспечить доставку грузов и пассажиров из Санкт-Петербурга во Владивосток за 12 часов может реально преобразовать нашу страну. Можно будет конкурировать не только с железной дорогой, но и с самолетами при гораздо больших возможностях в плане количества перевозимых грузов и пассажиров.